動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

繆建國(guó) 王 琦 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段

王恒亮 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

研制一套符合動(dòng)車組運(yùn)維管理的運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備可作為隨車機(jī)械師安全檢查的輔助工具，可作為動(dòng)車組運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試的車載式儀器。通過(guò)檢測(cè)設(shè)備獲得的動(dòng)車組振動(dòng)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，可為動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)體系研究、動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定安全保障以及動(dòng)車組故障診斷與排除提供重要依據(jù)。

1 技術(shù)原理

1.1 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)加速度傳感器是一種能夠把振動(dòng)或沖擊量轉(zhuǎn)化為等比電量的電子器件。目前應(yīng)用最廣泛的是壓電式加速度傳感器，其工作原理是利用壓電敏感元件的壓電效應(yīng)得到與振動(dòng)或者壓力成正比的電荷量或電壓量。壓電式加速度傳感器因其頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、使用方便，受到廣泛應(yīng)用。測(cè)試人員選型時(shí)，主要考慮的技術(shù)指標(biāo)是：靈敏度、頻率范圍、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、安裝方式、配套儀器等。

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器，或稱為“軟件即是儀器”，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）研發(fā)出來(lái)。虛擬儀器技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、傳遞、顯示、存儲(chǔ)等方面的局限性，使用戶可以根據(jù)自己的需求“制造”自己的儀器。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選擇通用硬件（如數(shù)據(jù)采集卡、RS-232），通過(guò)調(diào)用LabVIEW相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)、工具包設(shè)計(jì)出應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)與硬件通訊、觸發(fā)等功能。源代碼庫(kù)函數(shù)是虛擬儀器各模塊的基本組成單元，用戶可以構(gòu)造自己所需的功能模塊。當(dāng)測(cè)試要求發(fā)生變化時(shí)，用戶利用現(xiàn)有的硬件資源，在LabVIEW中對(duì)已有的模塊進(jìn)行更改，在軟件平臺(tái)上即可設(shè)計(jì)出滿足不同需求的測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 LabVIEW語(yǔ)言

LabVIEW是NI研發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言，Graphics Language），代碼形象直觀，編程界面友好，使程序代碼的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單。類似于C語(yǔ)言和BASIC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，但LabVIEW的優(yōu)勢(shì)在于：LabVIEW不用編寫(xiě)繁瑣的代碼，而是用一種圖形化代碼代替文本行；采用數(shù)據(jù)流的編程方式，從而大大優(yōu)化了程序的執(zhí)行順序。

與C和BASIC一樣，在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中，同樣為程序開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)龐大的函數(shù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)者可以利用這些函數(shù)完成硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、信號(hào)處理任務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等的所有編程。程序調(diào)試也比較簡(jiǎn)單直觀，可以在程序中設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、以動(dòng)畫(huà)方式顯示程序運(yùn)行過(guò)程、數(shù)據(jù)流向、運(yùn)行結(jié)果等。開(kāi)發(fā)者還可將編寫(xiě)的程序代碼直接生成獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行（.exe）文件，而不需要借助于其他輔助工具。

1.4 NI CompactRIO

近十年來(lái)，CompactRIO（簡(jiǎn)稱cRIO）平臺(tái)已經(jīng)成為嵌入式監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。所有cRIO系統(tǒng)均基于NI LabVIEW可重新配置I/O(RIO)架構(gòu)，該架構(gòu)集成了一個(gè)實(shí)時(shí)處理器、可重新配置FPGA和模塊化NI C系列I/O，通過(guò)LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編程。

2 主要功能

2.1 硬件功能

（1）能在動(dòng)車組客室內(nèi)通過(guò)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)打開(kāi)設(shè)備艙內(nèi)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；

（2）能在動(dòng)車組客室內(nèi)使用筆記本電腦連接設(shè)備艙內(nèi)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)發(fā)布的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)；

（3）能通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器采集車體、構(gòu)架和軸箱等部位的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)GPS定位獲取列車所處的經(jīng)緯度信息，并將檢測(cè)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在cRIO中；

（4）能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)數(shù)據(jù)從設(shè)備艙內(nèi)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)導(dǎo)出至客室內(nèi)筆記本電腦；

（5）檢測(cè)設(shè)備可使用外部220 V AC直接供電，或使用內(nèi)部12 V DC鋰電池；

（6）數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)鋰電池可持續(xù)供電20 Ah，可在動(dòng)車組一級(jí)修時(shí)更換鋰電池。

2.2 軟件功能

（1）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度的頻譜分析；

（2）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組振動(dòng)加速度最大值、平均值、功率譜、預(yù)測(cè)值等分析；

（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組平穩(wěn)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)計(jì)算；

（4）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度相關(guān)性分析；

（5）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行線路信息識(shí)別；

（6）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的手動(dòng)或自動(dòng)存儲(chǔ)；

（7）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)報(bào)告的自動(dòng)生成。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 加速度傳感器選型

動(dòng)車組列車正常運(yùn)行時(shí)，一系懸掛系統(tǒng)下方部件的振動(dòng)加速度一般情況達(dá)到幾十克，一系懸掛系統(tǒng)上方部件的振動(dòng)加速度一般在10 g左右，而車體部分振動(dòng)加速度一般不會(huì)超過(guò)1 g，它們的特征頻率一般都在500 Hz以內(nèi)（見(jiàn)表1）。

表1 三種振動(dòng)加速度傳感器

3.2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)構(gòu)建

3.2.1 高性能控制器選型

NI cRIO四槽高性能控制器集成了1.33 GHz Intel Atom雙核處理器、Kintex-7 FPGA以及4個(gè)用于C系列I/O模塊的插槽，在堅(jiān)固的無(wú)風(fēng)扇緊湊型機(jī)箱內(nèi)提供了一個(gè)高性能監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，可在惡劣環(huán)境下運(yùn)行。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊選型

NI公司為動(dòng)態(tài)信號(hào)采集提供了多款數(shù)據(jù)采集模塊，其中用于振動(dòng)加速度信號(hào)采集的C系列模塊主要有9218、9232、9234等3種型號(hào)。

3.2.3 GPS定位測(cè)速模塊選型

根據(jù)動(dòng)車組高速定位與測(cè)速的技術(shù)要求進(jìn)行GPS定時(shí)同步與定位模塊選型。

3.2.4 工業(yè)級(jí)路由器選型

針對(duì)動(dòng)車組車底到車廂內(nèi)的信號(hào)傳輸環(huán)境以及WiFi/4G的網(wǎng)絡(luò)要求選型。

3.2.5 數(shù)據(jù)采集處理機(jī)箱

針對(duì)動(dòng)車組設(shè)備艙小空間、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)振動(dòng)、多粉塵等環(huán)境特點(diǎn)，需在數(shù)據(jù)采集處理機(jī)箱的可靠性方面作獨(dú)特的設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境。

（1）緊湊式設(shè)計(jì)；

（2）加固性設(shè)計(jì)；

（3）密封性設(shè)計(jì)；

（4）散熱設(shè)計(jì)；

（5）電磁兼容性設(shè)計(jì)；

（6）內(nèi)部模塊EMC設(shè)計(jì)。

所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理機(jī)箱外觀如圖1所示。

圖1 機(jī)箱外觀

3.3 終端設(shè)備選型

終端設(shè)備為常規(guī)通用筆記本電腦即可，安裝檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件后連網(wǎng)使用。

3.4 無(wú)線遙控電源控制器選型

無(wú)線遙控電源控制器包含1個(gè)接收器和1個(gè)遙控器。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 開(kāi)發(fā)工具

4.1.1 LabVIEW Real-Time模塊

NI LabVIEW Real-Time模塊是一款針對(duì)LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的附加組件，用于幫助用戶創(chuàng)建并調(diào)試在獨(dú)立嵌入式硬件目標(biāo)上運(yùn)行的可靠確定性應(yīng)用程序。借助LabVIEW Real-Time模塊，用戶可為各類NI實(shí)時(shí)硬件終端（包括：CompactRIO、NI Single-Board RIO、PXI、視覺(jué)系統(tǒng)、Compact Field－Point和標(biāo)準(zhǔn)桌面PC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。隨附于LabVIEW Real-Time的嵌入式RTOS是一款用于為嵌入式應(yīng)用程序提供最大可靠性和統(tǒng)一定時(shí)的專用單一內(nèi)核。LabVIEW Real-Time模塊無(wú)法用于為非NI提供的RTOS創(chuàng)建應(yīng)用程序。

4.1.2 LabVIEW FPGA模塊

NI LabVIEW軟件及LabVIEW FPGA模塊賦予NI可重配置I/O(RIO)硬件終端的FPGA芯片以圖形化開(kāi)發(fā)功能。借助NI LabVIEW FPGA模塊，用戶可以在Windows主機(jī)上開(kāi)發(fā)FPGA VI程序，同時(shí)，LabVIEW將進(jìn)行編譯并執(zhí)行硬件中的代碼。用戶可創(chuàng)建可直接訪問(wèn)I/O且具有用戶定義的LabVIEW邏輯的嵌入式FPGA VI程序，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字協(xié)議通信、硬件在環(huán)仿真以及快速控制原型等應(yīng)用的硬件自定義。

4.2 嵌入式采集軟件

利用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定義標(biāo)準(zhǔn)化的軟件框架、調(diào)用模塊化的VI庫(kù)，對(duì)采集任務(wù)模塊化與規(guī)范化，兼顧效率優(yōu)化和功能拓展等需求，快速建立定制化的數(shù)采記錄系統(tǒng)，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)，軟件的高標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化便于系統(tǒng)的拓展，如硬件的更新、測(cè)點(diǎn)的增加和修改等。

4.3 人機(jī)界面

使用動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并接收采集的車體、構(gòu)架和軸箱等部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件的人機(jī)界面交互，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度的頻譜分析；

（2）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組振動(dòng)加速度最大值、平均值、功率譜、預(yù)測(cè)值等分析；

（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組平穩(wěn)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)計(jì)算；

（4）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度相關(guān)性分析；

（5）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行線路信息識(shí)別；

（6）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的手動(dòng)或自動(dòng)存儲(chǔ)；

（7）實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)報(bào)告的自動(dòng)生成。

動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件主要由基本信息填寫(xiě)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、離線數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)變化規(guī)律等六大模塊組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備對(duì)于保障動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中旅客乘坐舒適性、列車行車安全性均具有重要意義，尤其是對(duì)于CRH1型、CRH2型等尚未安裝相關(guān)檢測(cè)裝置的動(dòng)車組，加裝該檢測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)無(wú)到有、定性到定量測(cè)試動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能。動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備可供鐵路局車輛管理部門跟蹤測(cè)試動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能變化情況使用，亦可作為動(dòng)車組隨車機(jī)械師檢查工作中的一種輔助儀器。這種檢測(cè)設(shè)備的推廣應(yīng)用必將帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)還可推廣應(yīng)用于普鐵、地鐵等軌道交通領(lǐng)域。